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液壓壓鑄機台的高速控制作業
 

【作者: Paolo Catterina】   2017年12月27日 星期三

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EUROelectronics公司是一間機台製造商,在客戶的委託下,設計了一款適用於壓鑄機台的閉迴圈液壓汽缸控制系統。由於高速壓力會以0至10 m/s的速度移動,因此需要以高速控制系統來掌控。


為了解決此一需求,我們使用了NI LabVIEW FPGA Module與CompactRIO硬體。透過整合於CompactRIO控制器上的FPGA,開發出可使用現成商用工具進行低階客制化的系統。為了滿足此項應用的獨特需求,我們在FPGA中實作了高度最佳化的編碼器介面來量測汽缸位置,並於LabVIEW中進行完整的系統程式設計。


高速與高壓力特性挑戰控制的精確度

在正常情況下,系統會根據操作者輸入的速度與加速度軌道值來控制汽缸位置。操作者可透過比例、積分,與微分(PID)演算法控制汽缸的運動。壓力感測器則會用完全配合CompactRIO的處理速度,以數個毫秒的順序回傳資料。


運動設定檔與其他參數會透過乙太網路,與執行完整機台監控軟體應用程式的電腦共用。我們以NI LabWindows / CVI軟體實作了此操作者介面。該項應用也可透過量測運動品質與重複性、執行處理變數的工業級資料擷取量測 (位置、速度、壓力、溫度),以及製作品質檢驗統計報表等方式,提供診斷與機台監控功能。


液壓汽缸的位置與壓力控制為工業自動化領域的常見應用,不過,由於這些系統具備高速與高壓力等特性,因此控制的精確度往往會是一大挑戰。



圖1 : 壓力量測與位置所需的感測器品質是選擇擷取系統的首要考量。
圖1 : 壓力量測與位置所需的感測器品質是選擇擷取系統的首要考量。

在我們的應用中,汽缸會透過特定的速度與加速度設定檔來依照軟體定義的軌道移動,而設定檔必須確保汽缸能準確且重複達到10 m/s的最高速度。若要穩定控制汽缸的煞車與加速,就必須以1 kHz的處理速率關閉迴圈。


壓力量測與位置所需的感測器品質是選擇擷取系統的首要考量。在此案例中,我們使用線性磁條感測器進行位置量測。感測器必須精確且可靠地完成量測,而感測器訊號的訊號處理介面則也需要具備迅速與堅固耐用等特性。


CompactRIO提供的類比輸入模組具有高準確度,我們只需使用2個高速數位輸入通道,就能完整實作汽缸位置控制的編碼器函式。有了FPGA,編碼位置的訊號就能直接以感測器處理。不需使用中段處理或放大裝置,也可明顯降低雜訊並提升處理速度。


軟硬體整合推進開發時程

汽缸運動必須精確地依循監控軟體所預先定義的位置、速度與加速度設定檔運作。我們需要在速度高於1毫秒的處理週期中,量測閥門位置並計算速度;且兩者都會與設定點進行比較,移動情形也會使用PID演算法進行修正。



圖2 : 汽缸運動必須精確地依循監控軟體所預先定義的位置、速度與加速度設定檔運作。
圖2 : 汽缸運動必須精確地依循監控軟體所預先定義的位置、速度與加速度設定檔運作。

為了保持液壓電路的平衡,必須同步控制汽缸前端與後端的壓力值,以避免發生瞬間峰值。包含機器的完整介面將由CompactRIO即時程式持續且完美地控制,以此取代傳統的可程式化邏輯控制器。


唯有在處理時間絕對精確的情況下,此應用才能透過液壓伺服閥有效關閉迴圈。同樣地,液壓電路必須迅速、精確並重複產生回應。在這樣的情況下,液壓伺服閥會透過類比輸出訊號控制。


只要計算閥(具有獨特的非線性化行為)的線性化「表格」對應值,即可精確微調PID演算法。透過此PID增益規劃方式,我們可同時以低度(汽缸開始運動期間為 0.05至0.30 m/s)與高速(實際最高速度為7.5 m/s)取得極為精確的對應。


若使用指令訊號的前饋與數據平滑處理技術,我們也能校準PID運算方式,以避免快速換相點無法穩定移動的風險(汽缸的位置必須盡快上升或降低)。


有了CompactRIO乙太網路埠,嵌入式LabVIEW系統即可與使用LabWindows/CVI開發的監控應用通訊。操作者可透過監控軟體,以2種方法定義汽缸的注入設定檔:1.輸入數值,或 2.以圖形化的程序互動拖曳設定檔。 操作者也能設定所需的多個參數以執行機台週期,包含位置、速度、壓力與時間。


使用NI PCI-6025E 資料擷取卡,我們也可以將多個診斷訊號新增至監控軟體,例如每次注入的位置、壓力與溫度資料。機台監控軟體可提供機台作業圖表,並計算不同的控制數值,例如速度換相的位置、平均與峰值速度、次數、壓力與溫度。


以LabVIEW FPGA進行CompactRIO的程式設計,即可透過極高速的處理速度,更輕鬆地運作運動控制系統中最重要的部分。我們不需仰賴LabVIEW以外的低階開發工具、客制化電路,或程式設計語言,就能進行命令與反饋控制。CompactRIO的效能,讓我們得以將系統封裝至完整且堅固耐用的小型裝置內。 透過系統去運作進階控制功能,我們才能大幅提升程序效益。


此應用使用NI軟體與硬體整合了性質相似的開發方式,因此更大幅縮減了所需的專案與開發時間。透過此專案,可以在短短3週之內完成從原型製作階段到最終機台設定的各項作業。


(本文由NI提供,作者Paolo Catterina任職於EUROelectronics, srl)


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